MCS-51系統(tǒng)中斷優(yōu)先級的軟擴(kuò)展
摘要:鑒于MCS-51系統(tǒng)只提供“二級中斷嵌套”,提出擴(kuò)展51系統(tǒng)中斷優(yōu)先級的純軟件方法。其利用51系統(tǒng)內(nèi)建的中斷允許寄存器IE和中斷優(yōu)先級寄存器IP,通過屏蔽字機(jī)制來實(shí)現(xiàn);以C51的形式,給出這種擴(kuò)展方法的函數(shù)庫實(shí)現(xiàn),為該方法的使用賦予友好、簡潔的用戶接口。
關(guān)鍵詞:MCS-51單片機(jī) 中斷優(yōu)先級 軟擴(kuò)展 C51
引言
眾所周知,MCS-51系統(tǒng)只提供“二級中斷嵌套”,而大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)希望有多于兩級的優(yōu)先級別。因?yàn)橐话銇碚f,系統(tǒng)都有掉電中斷,且應(yīng)置為最高優(yōu)先級,這樣所有其它中斷只能共用一個最低優(yōu)先級,如此,往往不能滿足實(shí)際的邏輯需求。為了使系統(tǒng)具有多于兩級的中斷優(yōu)先級別,可以利用8259A之類的中斷控制芯片實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級的硬擴(kuò)展,但卻增加了系統(tǒng)的造價和復(fù)雜性。因復(fù)雜性的提高,系統(tǒng)的可靠性將受到影響。本文提出一種擴(kuò)展MCS-51系統(tǒng)中斷優(yōu)先級的純軟件方法,不需增加任何硬件,且所需的額外資源消耗也很小。實(shí)際應(yīng)用表明這種方法是可行的和有效的。
1 MCS-51的中斷系統(tǒng)簡介
MCS-51系列單片機(jī)允許有五個中斷源,提供兩個中斷優(yōu)先級,可實(shí)現(xiàn)二級中斷嵌套。這兩級優(yōu)先級遵循下述規(guī)則:僅高優(yōu)先級中斷源可中斷嵌套低優(yōu)先級中斷源。為實(shí)現(xiàn)這一規(guī)則,中斷系統(tǒng)內(nèi)部包含兩個不可尋址的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器。當(dāng)特定優(yōu)先級的某中斷源被響應(yīng)時,相應(yīng)的觸發(fā)器即被置位,直到執(zhí)行了RETI指令后,這個觸發(fā)器才復(fù)位。在此期間,同級和低級中斷將被防止。中斷源的中斷請求能否得到響應(yīng),受中斷允許寄存器IE的控制。每個中斷源的優(yōu)先級可通過對中斷優(yōu)先級寄存器IP編程來設(shè)定:或最低,或最高。同一優(yōu)先級中的各中斷源同時請求中斷時,由內(nèi)部查詢邏輯確定響應(yīng)次序。查詢次序依次為:外部中斷0(X0)、定時器中斷0(T0)、外部中斷1(X1)、定時器中斷1(T1)、串口中斷(S)。如果當(dāng)前指令是RETI或是對IE、IP操作的指令,將封裝CPU對中斷的響應(yīng),且必須再執(zhí)行完一條指令之后才會響應(yīng)中斷。
2 中斷優(yōu)先級軟擴(kuò)展的方法
首先,給出軟擴(kuò)展的第一種方法,并分析其特點(diǎn),指出其存在的缺陷。然后,基于對方法一的不足之處,給出不斷完善的方法二、方法三。其中方法二是對方法一的完善,方法三是對方法二的完善,并最終解決了方法一、二中的缺陷,實(shí)現(xiàn)了真正的中斷優(yōu)先級的軟擴(kuò)展。
2.1 方法一
此法僅使用和系統(tǒng)的中斷允許寄存器IE,通過中斷屏蔽字機(jī)制,以使不同的中斷源具有不同的邏輯中斷優(yōu)先級(下文中的“優(yōu)先級”如不加說明即指“邏輯中斷優(yōu)先級”)。
不失一般性,不妨令8051系統(tǒng)的五個中斷源——外中斷0(X0)、定時器中斷0(T0)、外中斷1(X1)、定時器中斷1(T1)及串口中斷(S),有如表1所列的優(yōu)先級。(實(shí)際應(yīng)用中,視具體情況,賦予不同中斷源以適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級。)
其中,“0”代表最高優(yōu)先級,“4”代表最低優(yōu)先級。
首先,給設(shè)定了優(yōu)先級的諸中斷源賦以二級“物理中斷優(yōu)先級”:將優(yōu)先級最高的中斷源(X1)在中斷優(yōu)先級寄存器IP中的相應(yīng)位(PX1)置1,而令I(lǐng)P中的其它相關(guān)位(PT1、PT0、PS、PX0)為0。
其次,給設(shè)定了優(yōu)先級的各中斷源分配適當(dāng)?shù)摹爸袛嗥帘巫帧薄F浠舅枷胧瞧帘瓮壓偷图壷袛?。具體分配過程如下:優(yōu)先級為k(0≤k≤N-1,N為中斷源數(shù)量)的中斷源的“中斷屏蔽字”為:優(yōu)先級為x(x∈[k,N-1],即同級和低級)的中斷源在IE中的對應(yīng)位置0,優(yōu)先級為y(y∈[0,k-1],即高級)的中斷源在IE中的相應(yīng)位置1而得的位組字節(jié)。當(dāng)然,IE的EA位(CPU中斷允許標(biāo)志位)始終為1.
對于表1所列的中斷優(yōu)先級分配情況,各中斷源的“中斷屏蔽字”配置如表2所列。
表1 中斷源的優(yōu)先級分配表
中斷源 | X1 | T1 | T0 | S | X0 |
優(yōu)先級 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
最后,給各中斷源的ISR(Interrupt Routine,中斷服務(wù)例程)加以如下所示的外殼(Assembly形式的)。不妨以定時器0(T0)為例:
CSEG AT 8×1+3
;定義絕對段,設(shè)置斷向量
JMP T0_ISR_SHELL
?PR?TO_ISR_SHELL?XX SEGMENT CODE ;聲明再定位段
T0_ISR_SHELL:
PUSH IE ;保存IE
MOV IE,#TO_INT_MASK
;設(shè)置當(dāng)前中斷屏蔽字
CALL ResetIntSys:復(fù)位中斷系統(tǒng)
CALL T0_ISR:調(diào)用中斷服務(wù)例程的主體
POP IE ;恢復(fù)IE
RET
這里,T0_ISR為定時器0(T0)的ISR的主體部分。其應(yīng)以一般函數(shù)的形式,用匯編或C編寫。ResetIntSys為僅含一條中斷返回指令(IRET)的函數(shù),即ResetIntSys:RETI。其用于復(fù)位中斷系統(tǒng),以使在相應(yīng)ISR執(zhí)行過程中,系統(tǒng)仍可響應(yīng)其它中端源提出的中斷請求,以便實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。這樣就達(dá)到了防止同級和低級優(yōu)先級中斷的目的。
高優(yōu)先級的中斷源可以提出中斷請求,但未必會被立即響應(yīng)。因?yàn)樵诋?dāng)前策略下,尚不能實(shí)現(xiàn)真正的“中斷嵌套”(即高優(yōu)先級的中斷服務(wù)例程可中斷低優(yōu)先級的中斷服務(wù)例程而嵌套執(zhí)行),而僅有最高優(yōu)先級的中斷(X1)才可以實(shí)現(xiàn)這種真正的“中斷嵌套”。因?yàn)樵?051系統(tǒng)里,中斷能否嵌套僅取決于其相應(yīng)的“物理中斷優(yōu)先級”(各中斷源的物理中斷優(yōu)先級由中斷優(yōu)先級寄存器IP中的相應(yīng)位決定,且僅有二級)。下面分三種情況說明方法一的特點(diǎn)和不足:
①當(dāng)外部中斷1(X1,其具有最高的邏輯中斷優(yōu)先級和最高的物理中斷優(yōu)先級)提出中斷請求時,系統(tǒng)將立即響應(yīng),而不管系統(tǒng)此時忙否。如果此時 系統(tǒng)正在執(zhí)行其它中斷的ISR,X1的ISR將以嵌套形式執(zhí)行,因?yàn)槠渌袛嗪吹奈锢碇袛鄡?yōu)先級都為最低(51系統(tǒng)僅有兩級物理優(yōu)先級:最高或最低)。
②當(dāng)定時器0(T0,其優(yōu)先級為2)的中斷請求正被響應(yīng)時,來自串口(S,其優(yōu)先級為3)和外部中斷0(X0,其優(yōu)先級為4)的中斷請求將被禁止;而只允許外部中斷1(X1,其優(yōu)先級為0)和定時器1(T1,其優(yōu)先級為1)提出中斷請求。如果是X1提出中斷請求,則X1的ISR將立即嵌套執(zhí)行;如果是T1提出,盡管其優(yōu)先級高于當(dāng)前中斷T0,但因其物理中斷優(yōu)先級與T0一樣(同為最低),故而將不會像X1那樣被系統(tǒng)立即響應(yīng),并嵌套執(zhí)行,而只能等待,直到T0的中斷服務(wù)例程執(zhí)行完畢。
③如果在串口(S,其優(yōu)先級為3)中斷正被響應(yīng)過程中,定時器1(T1,其優(yōu)先級為1)與定時器0(T0,其優(yōu)先級為2)分別提出中斷請求。由于它們有高于S的優(yōu)先級,所以系統(tǒng)允許它們提出中斷請求;但因其物理優(yōu)先級與S一樣,故而直到S的中斷服務(wù)例程執(zhí)行完畢,系統(tǒng)才會受理T1與T0的中斷請求。邏輯上,由于T1具有高于T0的優(yōu)先級,所以T1應(yīng)先為系統(tǒng)響應(yīng)。但因物理優(yōu)先級相同時,中斷請求的響應(yīng)次序取決于內(nèi)部查詢順序,而T0先于T1,所以實(shí)際上T0先 系統(tǒng)響應(yīng),即出現(xiàn)了“優(yōu)先級反轉(zhuǎn)”的問題。
可見,方法一雖然可以部分地達(dá)到“擴(kuò)充中斷優(yōu)先級”的目的,但其存在兩個問題:
*某些高優(yōu)先級中斷不能中斷嵌套低優(yōu)先級中斷;
*會出現(xiàn)“優(yōu)先級中反轉(zhuǎn)”。
方法二和方法三是針對方法一的這兩個不足而提出的,并最終實(shí)現(xiàn)對51系統(tǒng)的中斷優(yōu)先級的真正擴(kuò)展。
2.2 方法二
該方法是在方法一基礎(chǔ)上,為解決“優(yōu)先級反轉(zhuǎn)”的問題,而實(shí)施的簡單策略而得。
根據(jù)方法一中對“優(yōu)先級反轉(zhuǎn)”問題的分析可知,出現(xiàn)該問題的原因是:各中斷源的邏輯優(yōu)先級與其內(nèi)部查詢順序不一致。只要在系統(tǒng)設(shè)計時,兼顧中斷源相關(guān)事件的緊迫程度與中斷源的內(nèi)部查詢邏輯:將最緊迫的事件(如掉電)賦以最高的優(yōu)先級0,并使其與系統(tǒng)中的最先被查詢的中斷源(外部中斷0<X0>)相關(guān)聯(lián);使次緊迫的事件的優(yōu)先為1,并使之與系統(tǒng)內(nèi)第二個被查詢的中斷源(定時器0<T0)相關(guān)聯(lián)。以此類推,給緊追程度最低的事件賦以最低的優(yōu)先級N-1(N為中斷源個數(shù)),并使之與系統(tǒng)中最后被查詢的中斷源(串口中斷<S>)相關(guān)聯(lián),即51系統(tǒng)內(nèi)的各中斷源應(yīng)有表3所列的優(yōu)先級。
表3 中斷源的優(yōu)先級分配
中斷源 | X0 | T0 | X1 | T1 | S |
優(yōu)先級 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
如此,即可解決“優(yōu)先級反轉(zhuǎn)”的問題。
2.3 方法三
本法是在方法一、二的基礎(chǔ)上,針對“某些高優(yōu)先級中斷不能中斷嵌套低優(yōu)級中斷”的問題,引入相應(yīng)的策略,以實(shí)現(xiàn)對51系統(tǒng)中斷優(yōu)先級的“真正”擴(kuò)展。
3 優(yōu)先級軟擴(kuò)展的函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)
為了真正擴(kuò)展51系統(tǒng)的優(yōu)先級,各中斷源的優(yōu)先級、優(yōu)先級屏蔽字、中斷屏蔽字應(yīng)是確定的,如表3、4所列。C51編寫斷服務(wù)例程時,應(yīng)給出相應(yīng)的中斷源編號(中斷號)。特定中斷源有特定的中斷號,而此中斷號恰與各中斷應(yīng)有的優(yōu)先級一致。
本文用C51,以函數(shù)庫的形式實(shí)現(xiàn)方法三所述的策略,其包含兩個文件:ExtIntPri.H、ExtIntPri.C。須要指出,為使優(yōu)先級的設(shè)置和恢復(fù)具有原子性以防出現(xiàn)混亂,應(yīng)對SetPriority()和ResetPriority()作臨界處理,以使其不被“再入”訪問。另外,應(yīng)對系統(tǒng)棧作調(diào)整。如圖1所示,其中“1”代表SetPriority()所作的調(diào)整,其將IP、IE保存于系統(tǒng)棧中;“2”代表ResetPriority()所作的調(diào)整,其從系統(tǒng)棧中恢復(fù)IE、IP;“HAddr”、“LAddr”分別代表當(dāng)前函數(shù)返回地址的高位字節(jié)和低字節(jié)(棧中的地址是以小端字節(jié)序<Little Endian>方式存儲,這是C51中唯一的例外,而所有其它多字節(jié)數(shù)據(jù)則皆以大端字節(jié)序<Big Endian>方式存儲)。如果不這樣做,而是定義兩個全局變量來保存IE、IP,由于SetPriority()和ResetPriority()都要訪問這兩個全局變量,而這兩個函數(shù)又應(yīng)在ISR的開關(guān)和結(jié)尾處被分別調(diào)用,從而使ISR成為臨界區(qū),而不可被其它ISR中斷,這將使優(yōu)先級的存在失去意義。
//ExtIntPri.H
extern void SetPriority(unsigned char);
extern void SetPriority(unsigned char);
extern void ResetPriority(void);
//ExtIntPri.C
#pragma src
#include "ExtIntPri.H"
#include<reg51.h>
//靜態(tài)(局部)函數(shù)聲明
static void ResetIntSys(void);//僅含一條指令:RETI
//寬兩個宏用作“臨界區(qū)”的進(jìn)入?yún)^(qū)和退出區(qū)
#define ENTER_CRITICAL()EA=0//關(guān)中斷,以防臨界再入
#define EXIT_CRITICAL() EA=1
//中斷屏蔽字和優(yōu)先級屏蔽字的宏定義,如表3所列。
#define S_INT_MASK 0x8F//;1-01111B
//…
#define S_PRI_MASK 0x0F//;---01111B
//…
//先調(diào)整系統(tǒng)棧以保存IP、IE,其過程如圖1所示,再為給定中斷
//(prio也是中斷號)設(shè)置優(yōu)先級
void SetPriority(unsigned char prio){
ENTER_CRITICAL();//關(guān)中斷
#pragma asm
POP ACC //彈出返回地址的高位字節(jié)HAddr
POP B //彈出返回地址的低位字節(jié)Laddr
PUSH IP
PUSH IE //EA= =0
PUSH B //LAddr進(jìn)棧
PUSH ACC //HAddr進(jìn)制
#pragma endasm
switch(prio){
case 0:IP=X0_PRI_MASK;IE=X0_INT_MASK;
break;
//…
case4:IP=S_PRI_MASK;IE=S_INT_MASK;break;
}
ENTER_CRITICAL();//這里中斷被打開,故再關(guān)中斷
ResetIntSys();
EXIT_CRITICAL();//開中斷
}
//從系統(tǒng)棧中恢復(fù)IE、IP,其過程如圖1所示。該函數(shù)應(yīng)在退出ISP時調(diào)用
void ResetPriority(void){
ENTER_CRITICAL();
#pragma asm
POP ACC //彈出返回地址的高位字節(jié)HAddr
POP B //彈出返回地址的低位字節(jié)LAddr
POP IE //EA= =0
POP IP
PUSH B //LAddr進(jìn)棧
PUSH ACC //Haddr進(jìn)棧
#pragma endasm
EXIT_CRITICAL();//開中斷
}
//僅含一條指令:RETI,用以復(fù)位中斷系統(tǒng),以便系統(tǒng)在ISR執(zhí)行過程中可響應(yīng)其它中斷
void ResetIntSys(void){
char code reti=0x32; //32H為RETI的機(jī)器碼
(((void)(code*)(void))(&reti))();//將reti的地址強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為函數(shù)指針
}
使用時,只需將ExtIntPri.H頭文件用#include加入相應(yīng)源文件(當(dāng)然,應(yīng)將ExtIntPri.C的目標(biāo)文件<*.Obj>、庫文件<*.lib>或匯編源文件<*.src>加入當(dāng)前工程)。不妨以定時器0(T0)為例,其中斷號為1,故優(yōu)先級亦應(yīng)為1,如下所示:
////Test.C
#include "ExtIntPri.H"
//…
void T0_ISR(void)interrupt 1 using 2{
SetPriority(1);
//…
ResetPriority();
}
如此,T0即有了次最高優(yōu)先級——1。
結(jié)語
使用本文所述的“軟擴(kuò)展”方法,可以將MCS-51系統(tǒng)的中斷優(yōu)先級擴(kuò)展到5級。如果所用51系統(tǒng)的中斷源個數(shù)為N(N≤8),只須對上述方法稍作修改即可將其優(yōu)先級擴(kuò)展到N級。該方法不需增加任何硬件,且所需的額外資源消耗很小,使用也非常簡單,不會給用戶增加編程負(fù)擔(dān)。實(shí)際應(yīng)用表明,這種方法是可行的和有效的。